一种高钒高速钢及其制备方法与流程

1.本发明涉及高速钢技术领域，特别涉及一种高钒高速钢及其制备方法。


背景技术：

2.高速钢是高速工具钢的简称，是一种成份复杂的化合物，高速钢除含有高的碳量外，还有大量的w、cr、v、mo等合金成份；合金和碳元素形成了大量的碳化物，使高速钢具有高硬度、高红硬性、高耐磨性和足够的韧性，极大地提高了其切削速度，高速钢的发明使切削中碳钢的速度由8m/min提高到大约30m/min；因此带来了机床工具行业的革命。
3.随着被加工材料的不断变化及生产加工的需要，人们不断改变高速钢的成分，先后出现了钴高速钢、高钼高速钢m1、钨钼高速钢m2、高碳高钒高速钢、加硫易切削高速钢、超硬高速钢m40系列。目前，高速钢常用于钻头、丝锥、锯条以及滚刀、插齿刀、拉刀等精密工具，尤其适用于制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具。
4.高钒高速钢是近十多年来出现的一种新钢种，高钒高速钢不含w，同时加大碳元素的含量，形成vc和v4c3，使高速钢得到高的硬度和耐磨性。高钒高速钢以钒为主要添加元素，辅以铬钼等其他合金元素，充分利用钒碳化合物（vc）硬度高、形态好的特点来提高材料的韧性及耐磨性。作为新一代耐磨材料，高钒高速钢目前已被用于生产轧辊、锤头、球磨机衬板和转子体等多种耐磨件。
5.现有的高钒高速钢能源利用率不高，耐磨性差，且在浇筑时容易氧化，操作复杂，导致产品质量差。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种高钒高速钢及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高钒高速钢，其成分质量百分比如下：碳1.7％-2.9％、钨6.0％-6.2％、钒5.0％-6.0％、钼4.1％-5.1％、钥4.0％-6.0％、钇1.6％-2.4％、钴1.8％-2.2％、镍0.5％-1.0％、硅0.4％-1.0％、锰0.2％-0.4％、硫0.01％-0.04％、余量为铁和不可避免杂质。
8.优选的，一种高钒高速钢，其成分质量百分比如下：碳1.9％、钨6.0％、钒5.2％、钼4.7％、钥4.80％、钇1.6％、钴2.0％、镍0.7％、硅0.6％、锰0.3％、硫0.02％、余量为铁和不可避免杂质。
9.优选的，一种高钒高速钢，其成分质量百分比如下：碳2.9％、钨6.0％％、钒5.8％、钼4.1％、钥6.0％、钇2.4％、钴1.8％、镍0.5％、硅0.4％、锰0.4％、硫0.01％、余量为铁和不可避免杂质。
10.一种高钒高速钢的制备方法，包括以下步骤：s1、按高速钢中各元素重量占比进行选取原料，高速钢材料中按质量百分比包含
如下组分：碳1.7％-2.9％、钨6.0％-6.2％、钒5.0％-6.0％、钼4.1％-5.1％、钥4.0％-6.0％、钇1.6％-2.4％、钴1.8％-2.2％、镍0.5％-1.0％、硅0.4％-1.0％、锰0.2％-0.4％、硫0.01％-0.04％、余量为铁和不可避免杂质；s2、采用喷射成形工艺，将高钒高速钢母合金棒料置于其坩埚内，并施加电流进行加热重熔，在高于熔点100～250℃温度下保持一段时间，使熔体的温度和成分达到均匀；通过喷嘴雾化器，形成分散、细小液滴，并沉积在收集基板上，冷却凝固成块体，获得高钒高速钢坯体；s3、热锻前，将喷射成形得到的高速钢坯体表面剥皮，退火，将高速钢坯体加热到奥氏体化温度850～880℃，保温10hr以上后缓冷至小于等于600℃出炉空冷，冷却速度≤30k/hr；s4、热锻，加热温度在1100～1180℃；加热保温时间 t＝d
×
(1.0～2.0)min/mm，d为锻造样品的厚度；热锻的锻造比为≥9∶1；s5、锻打后再进行退火，将锻打后高速钢样品加热到奥氏体化温度 850～880℃，保温10hr以上后缓冷至小于等于600℃出炉空冷，冷却速度≤30k/hr；s6、热锻后淬火处理，在电极盐浴炉中进行预热，预热温度850～880℃， 盐浴介质为70～80％bacl2 30～20％nacl；采用电极盐浴炉加热到淬火温度1140℃～1230℃，盐浴介质是100％bacl2；将试样冷却到 600～650℃温度，空冷；s7、回火处理，将试样放到温度为500～580℃的介质50％～100％nano3 50％～0％kno3中进行回火处理，回火时间为 0.5～1hr，回火次数1～4次。
11.优选的，还可对试样进行tin或altin涂层处理。 优选的，步骤s6所述的冷却介质采用50％bacl2 30％kcl 20％nacl。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)、钒元素能显著提高材料的耐磨性，钒是高速钢常用元素中m-c结合能力最强的元素，与c元素结合形成mc型碳化物，其存在是保证高速钢硬度、红硬性和耐磨性等优异性能的前提。高速钢中mc型碳化物在稳定性和硬度两方面均属最高，在熔炼过程大多从液相中最先析出呈不规则的圆片状或条块状，经热塑性变形加工后呈颗粒状分散于一次碳化物条带中，对钢的摩擦特性产生很大影响。随着钒元素含量的提高，高速钢的抗磨损性将显著增加。
13.2）、钒元素能显著提高材料的二次硬化能力，成分配比时将m42的钒元素含量控制在5.0％-6.0％区间，在显著提高其耐磨性的同时兼顾切削加工性能。
14.3）、碳元素是合金碳化物形成的关键元素，合金元素含量的提高需相应提高碳含量，成分配比时在原有m42基础上提高了0.1％的碳含量。提高碳含量能提高材料硬度，但同时将使碳化物含量增多，颗粒增大，引起碳化物偏析。同时选择加入钴元素，钴与碳形成碳化物的结合能略低于铁元素，不单独形成碳化物，并且与铁有很好的互溶性，在退火态和淬火态下，钴元素绝大部分固溶于基体，在提高高速钢开始熔化温度的同时，不促使晶粒长大及其他过热过烧行为，有助于淬火时溶入更多碳化物，同时，钴同能减少淬火态残余奥氏体数量，并在回火时提高二次硬化析出率并降低其长大率，从而有效提高了高速钢的回火稳定性，细化晶粒，增加红硬性。
15.4）、钥元素增加了高速钢的淬透性和耐磨性，能防止氧化。
16.5）、本发明提供的高钒高速钢制备方法，其工序比粉末冶金工序简单得多，省略了粉末冶金中粉末的筛分、混批、封装、冷等静压、热等静压等工序，因此该工序不需要昂贵的设备投资，且最终材料的性能达到甚至超过成分相近的粉末高速钢，节省了工艺成本，降低了粉末冶金高速钢的使用价格，有利于机械制造业的广泛使用。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.实施例一：一种高钒高速钢，其成分质量百分比如下：碳1.9％、钨6.0％、钒5.2％、钼4.7％、钥4.80％、钇1.6％、钴2.0％、镍0.7％、硅0.6％、锰0.3％、硫0.02％、余量为铁和不可避免杂质。
19.上述高钒高速钢的制备方法，包括以下步骤：s1、按高速钢中各元素重量占比进行选取原料，高速钢材料中按质量百分比包含如下组分：碳1.9％、钨6.0％、钒5.2％、钼4.7％、钥4.80％、钇1.6％、钴2.0％、镍0.7％、硅0.6％、锰0.3％、硫0.02％、余量为铁和不可避免杂质；s2、采用喷射成形工艺，将高钒高速钢母合金棒料置于其坩埚内，并施加电流进行加热重熔，在高于熔点190℃温度下保持一段时间，使熔体的温度和成分达到均匀；通过喷嘴雾化器，形成分散、细小液滴，并沉积在收集基板上，冷却凝固成块体，获得高钒高速钢坯体；s3、热锻前，将喷射成形得到的高速钢坯体表面剥皮，退火，将高速钢坯体加热到奥氏体化温度880℃，保温10hr以上后缓冷至小于等于600℃出炉空冷，冷却速度≤30k/hr；s4、热锻，加热温度在1180℃；加热保温时间 t＝d
×
(1.0～2.0)min/mm，d为锻造样品的厚度；热锻的锻造比为≥9∶1；s5、锻打后再进行退火，将锻打后高速钢样品加热到奥氏体化温度880℃，保温10hr以上后缓冷至小于等于600℃出炉空冷，冷却速度≤30k/hr；s6、热锻后淬火处理，在电极盐浴炉中进行预热，预热温度850℃， 盐浴介质为80％bacl2 30～20％nacl；采用电极盐浴炉加热到淬火温度1140℃，盐浴介质是100％bacl2；将试样冷却到 610℃温度，空冷；s7、回火处理，将试样放到温度为520℃的介质70％nano3 50％～0％kno3中进行回火处理，回火时间为 0.6hr，回火次数3次。
20.在本实施例中，还可对试样进行tin或altin涂层处理。
21.在本实施例中，步骤s6所述的冷却介质采用50％bacl2 30％kcl 20％nacl。
22.实施例二：一种高钒高速钢，其成分质量百分比如下：碳2.9％、钨6.0％％、钒5.8％、钼4.1％、钥6.0％、钇2.4％、钴1.8％、镍0.5％、硅0.4％、锰0.4％、硫0.01％、余量为铁和不可避免杂质。
23.上述高钒高速钢的制备方法，包括以下步骤：s1、按高速钢中各元素重量占比进行选取原料，高速钢材料中按质量百分比包含如下组分：碳2.9％、钨6.0％％、钒5.8％、钼4.1％、钥6.0％、钇2.4％、钴1.8％、镍0.5％、硅0.4％、锰0.4％、硫0.01％、余量为铁和不可避免杂质；s2、采用喷射成形工艺，将高钒高速钢母合金棒料置于其坩埚内，并施加电流进行加热重熔，在高于熔点190℃温度下保持一段时间，使熔体的温度和成分达到均匀；通过喷嘴雾化器，形成分散、细小液滴，并沉积在收集基板上，冷却凝固成块体，获得高钒高速钢坯体；s3、热锻前，将喷射成形得到的高速钢坯体表面剥皮，退火，将高速钢坯体加热到奥氏体化温度880℃，保温10hr以上后缓冷至小于等于600℃出炉空冷，冷却速度≤30k/hr；s4、热锻，加热温度在1180℃；加热保温时间 t＝d
×
(1.0～2.0)min/mm，d为锻造样品的厚度；热锻的锻造比为≥9∶1；s5、锻打后再进行退火，将锻打后高速钢样品加热到奥氏体化温度880℃，保温10hr以上后缓冷至小于等于600℃出炉空冷，冷却速度≤30k/hr；s6、热锻后淬火处理，在电极盐浴炉中进行预热，预热温度850℃， 盐浴介质为80％bacl2 30～20％nacl；采用电极盐浴炉加热到淬火温度1140℃，盐浴介质是100％bacl2；将试样冷却到 610℃温度，空冷；s7、回火处理，将试样放到温度为520℃的介质70％nano3 50％～0％kno3中进行回火处理，回火时间为 1hr，回火次数4次。
24.在本实施例中，还可对试样进行tin或altin涂层处理。
25.在本实施例中，步骤s6所述的冷却介质采用50％bacl2 30％kcl 20％nacl。
26.实施例三：一种高钒高速钢，其成分质量百分比如下：碳2.4％、钨6.1％、钒5.2％、钼4.6％、钥5.0％、钇1.6％、钴1.8％、镍0.9％、硅0.8％、锰0.4％、硫0.02％、余量为铁和不可避免杂质。
27.上述高钒高速钢的制备方法，包括以下步骤：s1、按高速钢中各元素重量占比进行选取原料，高速钢材料中按质量百分比包含如下组分：碳2.4％、钨6.1％、钒5.2％、钼4.6％、钥5.0％、钇1.6％、钴1.8％、镍0.9％、硅0.8％、锰0.4％、硫0.02％、余量为铁和不可避免杂质；s2、采用喷射成形工艺，将高钒高速钢母合金棒料置于其坩埚内，并施加电流进行加热重熔，在高于熔点190℃温度下保持一段时间，使熔体的温度和成分达到均匀；通过喷嘴雾化器，形成分散、细小液滴，并沉积在收集基板上，冷却凝固成块体，获得高钒高速钢坯体；s3、热锻前，将喷射成形得到的高速钢坯体表面剥皮，退火，将高速钢坯体加热到奥氏体化温度880℃，保温10hr以上后缓冷至小于等于600℃出炉空冷，冷却速度≤30k/hr；s4、热锻，加热温度在1180℃；加热保温时间 t＝d
×
(1.0～2.0)min/mm，d为锻造样品的厚度；热锻的锻造比为≥9∶1；s5、锻打后再进行退火，将锻打后高速钢样品加热到奥氏体化温度880℃，保温10hr以上后缓冷至小于等于600℃出炉空冷，冷却速度≤30k/hr；
s6、热锻后淬火处理，在电极盐浴炉中进行预热，预热温度850℃， 盐浴介质为80％bacl2 30～20％nacl；采用电极盐浴炉加热到淬火温度1140℃，盐浴介质是100％bacl2；将试样冷却到 610℃温度，空冷；s7、回火处理，将试样放到温度为520℃的介质70％nano3 50％～0％kno3中进行回火处理，回火时间为 1hr，回火次数2次。
28.在本实施例中，还可对试样进行tin或altin涂层处理。
29.在本实施例中，步骤s6所述的冷却介质采用50％bacl2 30％kcl 20％nacl。
30.终上所述，本发明中钒元素能显著提高材料的耐磨性，钒是高速钢常用元素中m-c结合能力最强的元素，与c元素结合形成mc型碳化物，其存在是保证高速钢硬度、红硬性和耐磨性等优异性能的前提。高速钢中mc型碳化物在稳定性和硬度两方面均属最高，在熔炼过程大多从液相中最先析出呈不规则的圆片状或条块状，经热塑性变形加工后呈颗粒状分散于一次碳化物条带中，对钢的摩擦特性产生很大影响。随着钒元素含量的提高，高速钢的抗磨损性将显著增加。钒元素能显著提高材料的二次硬化能力，成分配比时将m42的钒元素含量控制在5.0％-6.0％区间，在显著提高其耐磨性的同时兼顾切削加工性能。碳元素是合金碳化物形成的关键元素，合金元素含量的提高需相应提高碳含量，成分配比时在原有m42基础上提高了0.1％的碳含量。提高碳含量能提高材料硬度，但同时将使碳化物含量增多，颗粒增大，引起碳化物偏析。同时选择加入钴元素，钴与碳形成碳化物的结合能略低于铁元素，不单独形成碳化物，并且与铁有很好的互溶性，在退火态和淬火态下，钴元素绝大部分固溶于基体，在提高高速钢开始熔化温度的同时，不促使晶粒长大及其他过热过烧行为，有助于淬火时溶入更多碳化物，同时，钴同能减少淬火态残余奥氏体数量，并在回火时提高二次硬化析出率并降低其长大率，从而有效提高了高速钢的回火稳定性，细化晶粒，增加红硬性。钥元素增加了高速钢的淬透性和耐磨性，能防止氧化。
31.本发明提供的高钒高速钢制备方法，其工序比粉末冶金工序简单得多，省略了粉末冶金中粉末的筛分、混批、封装、冷等静压、热等静压等工序，因此该工序不需要昂贵的设备投资，且最终材料的性能达到甚至超过成分相近的粉末高速钢，节省了工艺成本，降低了粉末冶金高速钢的使用价格，有利于机械制造业的广泛使用。
32.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。